Расчет камерной печи со сводовым отоплением
Белорусский национальный технический
университет
Механико-технологический факультет
Кафедра
«Металлургические
технологии»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине
«Металлургическая
теплотехника»
Тема: Расчет камерной печи со сводовым отоплением.
Исполнитель: студент группы 104136
______________________Рандюк А.А.
Руководитель проекта: доцент, к.т.н.
______________________
Нормаконтроль:
______________________
Кузин А.Ю.
Минск 2009
Содержание
стр.
Введение…………………………………………………………
1.Теоретическая
часть… ……………………………………………………………………....
1.1 Нагревательные
печи предприятий черной
1.
1.3Тепловой и температурный типы печей………………………………………………….11
1.4 Способы отопления………………………………………………………
1.5Общая характеристика тепловой работы нагревательных колодцев…………………….21
2. Расчёт горения топлива 25
3. Определение основных размеров печи 33
4. Расчет времени нагрева металла 34
5. Тепловой баланс печи 38
Список использованной литературы 46
ВВЕДЕНИЕ
Нагревательные печи в кузнечных цехах используют для нагрева под пластическую деформацию и под термическую обработку. Нагревательные печи для нагрева заготовок, слитков или блюмсов из черных и цветных металлов под ковку, прессование, штамповку, высадку, гибка и печи для термической обработки деталей, улучшающей их свойства, работают при 150-1300 С. Требования, к нагревательным современным печам:
1)обеспечение
необходимой температуры и
2)высокая
тепловая экономичность с
3)простота
конструкции и минимальные
4)механизация
и автоматизация загрузки и
выгрузки изделий, а также их
продвижение в печи, что увеличивает
её производительность, облегчает
обслуживание и позволяет
5)автоматическое
регулирование теплового
6)удобство
обслуживания при
7)возможность
применения защитной
Всем этим требованиям в первую очередь удовлетворяют электрические и газовые печи, работающие на природном газе и получающие преимущественное применение в кузнечно-термических печах. При нагреве стали под пластическую
деформацию температура печи должна быть не ниже 1250 С. В кузнечных печах эту температуру наиболее просто достигнуть при использовании высоко калорийного топлива с высокой теоретической температурой горения.
Для получения
рабочей температуры 1200-1250 С теоретическая
температура горения топлива
должна быть для камерных и щелевых
печей не ниже 1850 С, для методических
толкательных – не ниже 1700С,Такие
температуры можно получить и
при сжигании низкокалорийного топлива,
используя для горения
В
печах с интенсивной
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Нагревательные печи предприятий черной металлургии
Нагревательными печами обычно называют печи, в которых осуществляется нагрев металла перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой). Часто прокатку металла ведут последовательно на нескольких станах, что определяет состав парка печей. Производительность вновь строящихся прокатных станов непрерывно увеличивается. Поэтому основными чертами общей тенденции развития печей являются интенсификация нагрева металла (с соблюдением требований, предъявляемых к качеству нагрева) и стремление к максимально возможной механизации и автоматизации работы печей. Интенсификация нагрева позволяет увеличить производительность печного агрегата и обеспечить каждый прокатный стан необходимым числом печей. Однако использование таких печей пока ограничено, в основном, вследствие недостаточной стойкости роликов в высокотемпературных печах при их значительной ширине. Поэтому весьма распространенными и перспективными являются печи с шагающим подом, которые с успехом применяют при нагреве заготовок длиной 12-14м. Современная печь — это автоматизированный агрегат, в котором автоматически поддерживается заданный тепловой режим, т. е. заданная температура, расход топлива, соотношение топлива и воздуха, давление в печи.
В настоящее время на предприятиях черной металлургии применяют как разливку стали в изложницы, так и непрерывную разливку стали. В первом случае печное хозяйство включает в себя печи для нагрева слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах, во втором - подобные печи отсутствуют. Наиболее распространенным является нагрев прямоугольных заготовок, для чего применяют печи периодического (садочные) и постоянного (проходные) действия.
В печах периодического
действия металл загружается в полностью
или
частично остуженную печь и затем постепенно нагревается вместе с печью. Такой метод нагрева, когда температура печи изменяется во времени,
применяют при нагреве крупных слитков, которые надо греть медленно во избежание возникновения чрезмерного температурного перепада. В черной металлургии в периодическом режиме работают нагревательные колодцы — печи, в которых слиток, стоящий вертикально, нагревается с четырех сторон. Поскольку размеры слитков значительные (толщина обычно около 600 мм, масса около 7 т),подобный нагрев обеспечивает необходимые равномерность и производительность.
В печах постоянного действия температура во времени остается неизменной. Вместе с тем температура по длине рабочего пространства таких печей может изменяться в соответствии с необходимостью создания целесообразного режима нагрева. Проходные печи постоянного действия — это наиболее распространенные нагревательные печи в черной металлургии. Они очень многообразны как по способу транспортировки заготовки через печь, так и по методам отопления. Это толкательные печи; печи с шагающим и роликовым подом; с торцовым, сводовым, боковым отоплением. В таких печах может осуществляться как постепенный (методический) режим нагрева, так и весьма форсированный камерный режим.
В последнее время в связи с развитием и возникновением новых процессов прокатки предъявляются новые требования и к нагревательным печам. Широкое развитие получают процессы непрерывной прокатки, когда заготовка проходит неоднократное последовательное обжатие без промежуточных подогревов. Процесс тем эффективнее, чем длиннее прокатываемые заготовки. Это объясняется тем, что с увеличением длины заготовки сокращается количество отходов металла. Длина заготовки достигает 12—14 м. Однако увеличение длины заготовки требует соответствующего увеличения ширины нагревательной печи, что вместе с необходимостью нагрева заготовки до высокой температуры
(примерно до 1250 °С) создает большие трудности при эксплуатации печи, так как при столь значительной ширине печи крайне затруднено удаление окалины. Применение в этих случаях методических толкательных печей с участками монолитного пода практически исключено. Поэтому оптимальной конструкцией можно считать печь с шагающим подом.
Весьма перспективным является метод бесконечной прокатки, при котором необходимо осуществлять стыковую сварку отдельных заготовок в горячем состоянии в одну непрерывную полосу. Такой метод позволяет повысить скорость прокатки, но требует полной синхронности в работе прокатных, сварочных и печных механизмов. Во время сварки заготовка остывает, поэтому ее с самого начала или надо перегревать до весьма высокой температуры (~1300°С) или нагревать в два этапа: первый — перед сваркой до 1100 °С и второй — после сварки до температуры прокатки. В обоих случаях для нагрева перед сваркой наиболее целесообразно использовать печь с шагающим подом, так как она позволяет удовлетворительно организовать удаление окалины; такая печь представляет собой высокомеханизированный и автоматизированный агрегат и удовлетворяет требованиям современного поточного производства. Важным достоинством печей с шагающим подом является также и то, что они могут самоосвобождаться (без загрузки новых изделий), что важно при ремонтах, а также могут быть использованы в качестве утепленных емкостей, где накапливается металл при различной скорости прокатки на заготовительных и сортовых станах.
После сварки целесообразно
применять индукционный нагрев однако
в этом случае требуется совершенно прямая
заготовка' Чем длиннее заготовка, тем
более вероятна возможность ее искривления.
Это ограничивает пока увеличение длины
заготовки свыше 12 м.При нагреве слябов,
полученных методом непрерывной разливки,
к печам предъявляется ряд дополнительных
требований, главными из которых являются следующие:
- для максимального использования преимуществ, вытекающих из принципа непрерывности производства, желательно, чтобы печь была приспособлена для нагрева весьма длинных слябов. Известны случаи, когда длина нагреваемых слябов достигает 60 м, а длина применяемой роликовой печи 120 м;
- машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и прокатные, станы работают в различном ритме, поэтому необходимо, чтобы в печах можно было нагревать как горячий, так и холодный металл;
- слябы, полученные на МНЛЗ, имеют поверхность хорошего качества, поэтому следует стремиться к тому, чтобы сделать минимальным окалинообразование и устранить возможность образования поверхностных дефектов при транспортировании металла через печь;
- при непрерывной разливке в формируемом слябе образуются подкорковые пузыри, которые, соединяясь с атмосферой, вызывают межкристаллическую коррозию. Для ликвидации вредного влияния внутреннего окалинообразования необходимо температуру нагрева металла повысить до 1300—-1350°С.
Поддержание температуры внутренней поверхности кладки на необходимом весьма высоком уровне требует серьезной теплоизоляции печи, делают печь громоздкой и инерционной в тепловом отношении. В силу этого обеспечение скоростного радиационного нагрева наталкивается в подобном случае на значительные трудности. Этими причинами объясняется тот факт, что в последнее время получает развитие скоростной конвективный (ударный) нагрев, свободный от указанных недостатков.
Наряду с тепловым и температурным режимами для работы печей большое значение имеет режим давления в печи. Идеальным был бы такой режим
давления в
печи, при котором холодный воздух
не попадал бы в печь, а дымовые
газы не выбивались бы из печи. Если холодный воздух попадает в печь, то это приводит к излишнему расходу тепла и увеличивает угар металла. Чрезмерное выбивание дымовых газов приводит к увеличению потерь тепла, пагубно влияет на арматуру печи и затрудняет ее обслуживание. Для обеспечения оптимального режима в нагревательных колодцах стремятся под крышкой поддерживать небольшое избыточное давление. В проходных печах на уровне нагреваемых заготовках также целесообразно поддерживать небольшое избыточное давление, исключающее подсос воздуха в печь и большое выбивание дымовых газов. Однако полностью выдержать такое давление по всей длине печи не удается.
В тепловой работе пламенных нагревательных печей первостепенная роль принадлежит методу отопления печи и характеристикам факела, образующегося при сжигании топлива. Используемое топливо, способ его сжигания и метод отопления печей предопределяет как интенсивность внешнего теплообмена в рабочем пространстве печей, так и условия нагрева металла.
1.2. Тепловая работа нагревательных печей
СХЕМЫ ДВИЖЕНИЯ МЕТАЛЛА И ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
В проходных нагревательных печах независимо от применяемого способа транспортировки металла через печь могут быть осуществлены принципиально следующие две схемы движения теплоносителей — нагреваемого металла и остывающих продуктов сгорания: прямоточная и противоточная. Как известно, противоток является наиболее совершенной схемой взаимного движения теплоносителей, поскольку холодный теплоноситель может нагреваться до температуры, превышающей конечную температуру более нагретого теплоносителя. Подобное положение при прямотоке невозможно.
В силу этих причин
большинство проходных
начальной ее части, где имеет место очень большой перепад температур между горячим и холодным теплоносителем заключены большие резервы для интенсификации теплоотдачи на поверхности нагреваемого металла. Поэтому, если нагревается металл имеющий характеристики термически тонкого тела, то для ускорения нагрева и повышения эффективности работы печи целесообразно использовать возможности, заложенные в начальной стадии прямоточной схемы движения теплоносителей. Однако полностью прямоточной печь делать нецелесообразно, так как прямоточная схема не позволяет иметь конечную температуру холодного теплоносителя (металла) выше конечной температуры более горячего теплоносителя. Применительно к условиям работы проходных нагревательных печей это значит, что конечная температура металла будет всегда ниже температуры отходящих из печи газов, что конечно, неприемлемо. В этом смысле противоток всегда эффективнее. Вместе с тем, совмещая две схемы движения и обеспечивая прямоточно-противоточное движение раскаленных газов и металла, можно существенно повысить эффективность работы печи. ..
В отдельных
случаях при двухстороннем
1.3ТЕПЛОВОЙ И ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПЕЧЕЙ
Тепловой и температурный режимы проходных нагревательных печей неизменны во времени. Однако температура по длине печи может быть неизменна, но может и значительно меняться.
Режим работы печей, при котором температура в рабочем пространстве практически неизменна, называется камерным. Если температура по длине печи переменна, то такой режим называется методическим. Характер изменения температуры раскаленных газов и поверхности нагреваемого металла по длине печи зависит в первую очередь от схемы взаимного движения газов и металла. Противоточные печи составляют в настоящее время подавляющее большинство проходных нагревательных печей, поэтому остановимся кратко на их режимах работы. При нагреве в металле возникают температурные напряжения, которые не должны превышать максимально допустимых. Температурные напряжения пропорциональны перепаду температур поверхности и центра металла. Если нагревается тело массивное в тепловом отношении, то резкое повышение температуры поверхности может вызвать возникновение чрезмерного температурного перепада. Поэтому массивные изделия нагревают сравнительно медленно, постепенно (методически), до тех пор, пока они не приобретут необходимых пластических свойств, т. е. до ~500 °С.
Для нагрева заготовок, которые по своим размерам и свойствам ближе к тонкому телу, чем к массивному (например, слябы), созданы печи, работающие по режиму, занимающему промежуточное положение между камерным и методическим. Чтобы обеспечить повышение температуры в печи, выполняют две (или несколько) сварочных зон, в каждой из которых происходит сжигание топлива. Назначение зоны при этом сохраняется. При нагреве термически тонкого изделия используют камерный режим, при котором поддерживается практически одинаковая температура во всем рабочем пространстве. Обеспечение того или иного температурного режима
работы печей достигается выбором метода отопления и соответствующего расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов. Для создания камерного режима необходимо горелки (форсунки) и дымоотводные каналы равномерно распределить по длине рабочего пространства.
Методический режим нагрева металла имеет место в тех случаях, когда при противоточном движении металла и дымовых газов горелочные устройства располагают на одном конце рабочего пространства в зоне интенсивного нагрева металла, а дымоотводные каналы — на другом, где металл загружается в печь. При этом дымовые газы будут постепенно остывать, отдавая тепло металлу, температура которого будет постепенно повышаться. Режим отопления выбирается с учетом особенностей транспортировки металла и определяет изменение температуры по длине печи.
1.4 СПОСОБЫ ОТОПЛЕНИЯ
В металлургических печах сжигание топлива осуществляется как при кинетическом, так и при диффузионном горении. И в том и в другом случае факел (пламя) формируется струями топлива и воздуха, подаваемыми через горелки (форсунки). Факел, который оказывает очень большое влияние на тепловую работу печи в делом, должен отвечать следующим требованиям:
1) иметь максимально необходимую для печи данного типа температуру;
2) иметь целесообразное распределение температуры по объему печи и обеспечивать наивысший уровень теплоотдачи излучением и конвекцией;
3) в необходимых случаях должен обеспечивать развитие массообменных процессов;
4)
факельные струи должны оказывать положительное
влияние на аэродинамику рабочего пространства:
способствовать выравниванию
температуры и развитию процессов конвективного теплообмена, не разрушать элементов печи и не вызывать чрезмерного подсоса в печь воздуха и выбивания дымовых газов.
В современных печах большое значение имеет расположение факела в рабочем пространстве. Наиболее распространенными являются продольное (при противоточном и прямоточном движении металла), поперечное (боковое) и сводовое (вертикально вниз в сторону обрабатываемого материала) расположение факелов. При продольном расположении факелов распределение температуры по длине факела определяет график изменения температуры по длине печи.
Боковое отопление (поперечное расположение факелов) применяется в достаточно широких печах и должно обеспечивать не только необходимую интенсивность нагрева, но и обязательно равномерность нагрева металла по ширине печи, для чего требуется равномерное распределение температуры по длине факела. При сводовом отоплении правильное распределение тепловой нагрузки по горелкам по длине и ширине печи также обеспечивает необходимый характер распределения температуры по длине и ширине рабочего пространства печи.
Теплообмен излучением в рабочем пространстве пламенных печей между факелом, кладкой и металлом зависит не только от температуры, но и от радиационных характеристик этих компонентов теплообмена, т. е. от величины их излучательной и поглощательной способности. Величина поглощательной способности обрабатываемого в печи материала имеет сплошной характер изменения по спектру, хотя и отличный от серого тела. Подобная картина характерна и для кладки печи.
Прямоструйный факел
Общие характеристики факела. Наиболее распространенный на практике диффузионный факел газового и жидкого топлива образуете я струями топлива и
воздуха, выходящими со значительной скоростью из горелки или форсунки. Струи могут встречаться под различными углами друг к другу, что оказывает
существенное влияние на скорость смешения топлива с окислителем и обеспечивает, вместе .с тем, подсос продуктов сгорания из окружающего факел газового объема, создавая тем самым циркуляцию газов в рабочем пространстве печи. Возникновению подсоса в корень факела окружающих продуктов сгорания и созданию циркуляции способствуют два обстоятельства: инжектирующее действие факельных струй и (очень часто) увеличение статического давления по длине факела. Повышенное давление в «хвосте» факела способствует возникновению циркуляционных потоков от конца факела к его началу.
В печах обычно используют не одну горелку (форсунку), а их группы. В одних случаях факелы направлены в одну сторону, в других — в противоположную, над нагреваемым металлом и под ним и т. д. Поэтому аэродинамические характеристики факелов и расположение горелок оказывают решающее влияние на картину движения газов в печи в целом или в отдельной ее зоне.
Диффузионные факелы обычно образуются двумя спутными (чаще всего коаксиальными) потоками газа н воздуха или потоками, поданными под углом друг к другу, или закрученными один относительно другого. Изменение скорости истечения струн топлива и воздуха, углов встречи между ними влияет на процесс смешения, от которого зависят все важнейшие характеристики факела (длина, распределение температуры, состав газов и т .д.
Обычно приходится решать один из двух вопросов: выбирать горелку по величине расхода топлива и требования к факелу или при установленном горелке решать вопрос о длине факела и других его характеристиках в зависимости от изменения режимных параметров. Эти изменения могут носить как кратковременный, так и достаточно долговременный характер. Часто в производственных условиях они носят вынужденный характер. К режимным параметрам работы горелок, а следовательно, и печей могут быть отнесены следующие: теплота сгорания топлива, тепловая нагрузка (расход
топлива в единицу времени), расход воздуха, температура подогрева воздуха, газа. Изменение этих характеристик влечет за собой изменение скоростей выхода из горелки газа и воздуха и величины коэффициента расхода воздуха.
В производственных условиях по различным причинам возможно изменение теплоты сгорания топлива, которое не может не оказать влияния на длину факела. Чем больше теплота сгорания топлива, тем больше воздуха необходимо для сжигания единицы такого топлива. Поэтому, если расход топлива не изменяется, а происходит изменение теплоты его сгорания, то длина факела также будет изменяться. Причем при увеличении теплоты сгорания топлива длина факела должна увеличиваться, при уменьшении — сокращаться.
Горелочные устройства обычно выбирают, исходя из каких-то наиболее оптимальных для данной печи расходов газа и воздуха. Изменение этих расходов (без изменения, естественно, выходных сечений горелок) влечет за собой изменение скоростей истечения. Это сказывается на условиях смешения и на характере тепловыделения; приводит к изменению длины факела, его температуры и теплоотдачи. С определенной степенью приближения можно считать, что увеличение тепловой нагрузки приводит к увеличению длины факела, повышению его температуры и теплоотдачи излучением.
Влияние коэффициента расхода воздуха на длину факела особенно резко сказывается при работе пламенных горелок. . Так, при увеличении коэффициента расхода воздуха с 1,05 до 1,4 длина факела газового топлива уменьшается вдвое. При работе горелок с предварительным смешением длина факела от величины коэффициента расхода воздуха зависит
незначительно. Использование подогретых воздуха и газа благоприятно влияет на развитие процессов смешения и горения: укорачивается факел, повышается скорость достижения температуры воспламенения, увеличивается скорость горения и обеспечивается тем самым более интенсивное тепловыделение в факеле. При этом повышается калориметрическая и действительная температура факела и увеличивается теплоотдача излучением.
Разомкнутый факел
Под разомкнутым факелом принято понимать факел с углом раскрытия 180°, растекающийся тонким слоем и прилегающий к поверхности свода, в который вмонтирована горелка (рис. 19). Механизм теплофизнческнх процессов, протекающих в разомкнутом факеле еще не вполне ясен, однако, некоторые общие положения можно считать установленными. Как и в любом другом, в разомкнутом факеле первостепенную роль играет процесс тепловыделения. Можно считать, что протяженность зоны дожигания топлива составляет приблизительно одну пятую часть общей длины факела. Во многих работах подчеркивается возможное каталитическое влияние керамической поверхности на процесс горения в разомкнутом факеле. Образующиеся раскаленные газы. двигаясь около поверхности керамической кладки, обеспечивают интенсивную передачу тепла главным образом конвекцией (толщина слоя газов невелика). Кладка раскаляется и обеспечивает интенсивное излучение на нагреваемый материал. Тем самым селективное излучение газов трансформируется в сплошное по спектру излучение керамической поверхности. Важным является вопрос о том, почему осуществляется «прилипание» струи к
